DE102021201073A1 - MIMO radar sensor - Google Patents

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Abstract

MIMO-Radarsensor mit:- einem planaren Antennenarray, das zwei Subarrays (TX, RX) aufweist, in denen jeweils mehrere Antennen in einer ersten Richtung x versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die Subarrays in einer zweiten Richtung y senkrecht zu der ersten Richtung x gegeneinander versetzt sind, die Antennen (TX1, TX2, TX3, RX1, RX2 RX3, RX4) beider Subarrays jeweils in der zweiten Richtung y stärker fokussierend sind als in der ersten Richtung, und in mindestens einem der Subarrays (TX) zumindest zwei der Antennen auch in der zweiten Richtung y gegeneinander versetzt sind,- einem Hochfrequenzteil (12) zum Erzeugen von Sendesignalen für die Antennen des einen Subarrays (TX) und zur Vorverarbeitung von Empfangssignalen der Antennen des anderen Subarrays (RX) und- einer Steuer- und Auswertungseinrichtung (14), die dazu konfiguriert ist, den Hochfrequenzteil (12) zu steuern und anhand der vorverarbeiteten Empfangssignale Abstände, Relativgeschwindigkeiten sowie Azimut- und Elevationswinkel von georteten Objekten zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Subarray (TX), in dem die Antennen (TX1, TX2, TX3) auch in der zweiten Richtung y gegeneinander versetzt sind, symmetrisch zu einer in der zweiten Richtung y verlaufenden Achse (A) aufgebaut ist.MIMO radar sensor with:- a planar antenna array, which has two subarrays (TX, RX), in each of which a plurality of antennas are arranged offset from one another in a first direction x, the subarrays facing one another in a second direction y perpendicular to the first direction x are offset, the antennas (TX1, TX2, TX3, RX1, RX2 RX3, RX4) of both subarrays are each more focused in the second direction y than in the first direction, and in at least one of the subarrays (TX) at least two of the antennas too are offset from one another in the second direction y, - a high-frequency part (12) for generating transmission signals for the antennas of one subarray (TX) and for preprocessing reception signals from the antennas of the other subarray (RX) and - a control and evaluation device (14 ), which is configured to control the high-frequency part (12) and based on the pre-processed received signals, distances, relative speeds and azimuth and elevation values to determine angles of located objects, characterized in that the at least one subarray (TX), in which the antennas (TX1, TX2, TX3) are also offset from one another in the second direction y, is symmetrical to an axis running in the second direction y (A) is constructed.

Description

Die Erfindung betrifft einen MIMO-Radarsensor mit:

  • - einem planaren Antennenarray, das zwei Subarrays und aufweist, in denen jeweils mehrere Antennen in einer ersten Richtung x versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die Subarrays in einer zweiten Richtung y, senkrecht zu der ersten Richtung x, gegeneinander versetzt sind, die Antennen beider Subarrays jeweils in der zweiten Richtung y stärker fokussierend sind als in der ersten Richtung, und in mindestens einem der Subarrays zumindest zwei der Antennen auch in der zweiten Richtung y gegeneinander versetzt sind,
  • - einem Hochfrequenzteil zum Erzeugen von Sendesignalen für die Antennen des einen Subarrays und zur Vorverarbeitung von Empfangssignalen der Antennen des anderen Subarrays, und
  • - einer Steuer- und Auswertungseinrichtung, die dazu konfiguriert ist, den Hochfrequenzteil zu steuern und anhand der vorverarbeiteten Empfangssignale Abstände, Relativgeschwindigkeiten sowie Azimut- und Elevationswinkel von georteten Objekten zu bestimmen.
The invention relates to a MIMO radar sensor with:
  • - A planar antenna array, which has two subarrays and in each of which several antennas are arranged offset from one another in a first direction x, the subarrays being offset from one another in a second direction y, perpendicular to the first direction x, the antennas of both subarrays are each more strongly focusing in the second direction y than in the first direction, and in at least one of the subarrays at least two of the antennas are also offset from one another in the second direction y,
  • - A high-frequency part for generating transmission signals for the antennas of one subarray and for preprocessing reception signals from the antennas of the other subarray, and
  • - A control and evaluation device which is configured to control the high-frequency part and to determine distances, relative speeds and azimuth and elevation angles of located objects on the basis of the pre-processed received signals.

Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einem Radarsensor für Kraftfahrzeuge.In particular, the invention relates to a radar sensor for motor vehicles.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Umfeldüberwachung in Fahrerassistenzsystemen für Kraftfahrzeuge ist neben dem Abstand und der Relativgeschwindigkeit der georteten Radarziele auch der Azimutwinkel und der Elevationswinkel dieser Ziele von Bedeutung. Beispielsweise wird Information über den Azimutwinkel benötigt, damit das Objekt einer bestimmten Fahrspur der Fahrbahn zugeordnet werden kann. Information über den Elevationswinkel ermöglicht eine Einschätzung, ob das Objekt überfahrbar oder unterfahrbar ist oder ein relevantes Hindernis darstellt. Die Azimut- und Elevationswinkel der Ziele können aus Amplituden- und/oder Phasenunterschieden der Signale der Empfangsantennenelemente ermittelt werden.When monitoring the surroundings in driver assistance systems for motor vehicles, the azimuth angle and the elevation angle of these targets are important in addition to the distance and the relative speed of the located radar targets. For example, information about the azimuth angle is required so that the object can be assigned to a specific lane of the roadway. Information about the elevation angle enables an assessment of whether the object can be driven over or under or represents a relevant obstacle. The azimuth and elevation angles of the targets can be determined from differences in amplitude and/or phase of the signals from the receiving antenna elements.

Nach dem MIMO-Prinzip (Multiple Input Multiple Output) werden die Empfangsantennen beispielsweise im Zeitmultiplex oder wahlweise auch im Code- oder Frequenzmultiplex mit verschiedenen Sendeantennen kombiniert. Jede Kombination entspricht einem virtuellen Antennenelement, dessen Versatz gegenüber einem anderen virtuellen Antennenelement sich additiv zusammensetzt aus den Versätzen der beteiligten Empfangsantennen und der beteiligten Sendeantennen. Das virtuelle Array kann eine größere Apertur haben als das reale Empfangsarray und ermöglicht deshalb eine höhere Winkelauflösung.According to the MIMO principle (Multiple Input Multiple Output), the receiving antennas are combined with different transmitting antennas, for example in time division multiplex or optionally also in code or frequency division multiplex. Each combination corresponds to a virtual antenna element whose offset relative to another virtual antenna element is made up of the offsets of the receiving antennas involved and the transmitting antennas involved. The virtual array can have a larger aperture than the real receiving array and therefore enables a higher angular resolution.

Für die Winkelschätzung werden die von verschiedenen virtuellen Antennenelementen erhaltenen komplexen Amplituden mit einem zuvor vermessenen Antennendiagramm verglichen, und es wird eine deterministische Maximum-Likelihood-Funktion (DML-Funktion) berechnet, die für jeden Winkel innerhalb des Ortungsbereiches eine Wahrscheinlichkeit dafür angibt, dass es sich bei diesem Winkel um den wahren Ortungswinkel des georteten Ziels handelt. Wenn die Amplituden von mindestens drei virtuellen Antennenelementen verfügbar sind, kann darüber hinaus auch ein Gütewert berechnet werden, der ein Maß für die Qualität der Winkelschätzung darstellt. Die Winkelschätzung wird erschwert, wenn in einem Messzyklus zwei Ziele geortet werden, bei denen die Abstände und Relativgeschwindigkeiten zu dem gleichen Frequenzversatz (bei einem FMCW-Radar) führen. Es sind jedoch Verfahren bekannt, mit denen auch unter diesen Umständen die Ortungswinkel der beiden Ziele aufgelöst werden können. Allerdings werden dann für eine Winkelschätzung mit Gütewert die Signale von mindestens vier Antennenelementen benötigt.For the angle estimation, the complex amplitudes obtained from different virtual antenna elements are compared with a previously measured antenna diagram, and a deterministic maximum likelihood function (DML function) is calculated, which gives a probability for each angle within the localization range that there is this angle is the true lock angle of the locked target. If the amplitudes of at least three virtual antenna elements are available, a quality value can also be calculated that represents a measure of the quality of the angle estimation. Estimating the angle is made more difficult if two targets are located in one measurement cycle, for which the distances and relative speeds lead to the same frequency offset (in the case of an FMCW radar). However, methods are known with which the location angles of the two targets can also be resolved under these circumstances. However, the signals from at least four antenna elements are then required for an angle estimate with a quality value.

Aus DE 10 2016 203 160 A1 ist ein MIMO-Radar der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Antennen eines Subarrays in ungleichmäßigen Abständen angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Empfangskanälen eine große virtuelle Apertur zu erreichen und zugleich das Array so weit aufzufüllen, dass Mehrdeutigkeiten in der Winkelbestimmung aufgelöst werden können. Eine Besonderheit des in dieser Druckschrift beschriebenen Radarsensors besteht darin, dass zwei der Sendeantennen im Azimut stark fokussierend sind, so dass an einem zentralen Winkelbereich eine hohe Auflösung erreicht wird, während eine schwächer fokussierende dritte Sendeantenne die Außenbereiche abdeckt. Diese dritte Sendeantenne ist zudem auch stark in der Vertikalen versetzt, so dass eine genaue Elevationswinkelschätzung ermöglicht wird.Out of DE 10 2016 203 160 A1 a MIMO radar of the type mentioned is known, in which the antennas of a subarray are arranged at non-uniform distances. This makes it possible to achieve a large virtual aperture with a comparatively small number of reception channels and at the same time to fill up the array to such an extent that ambiguities in the angle determination can be resolved. A special feature of the radar sensor described in this publication is that two of the transmitting antennas focus strongly in the azimuth, so that a high resolution is achieved in a central angle area, while a third transmitting antenna with a weaker focus covers the outer areas. In addition, this third transmitting antenna is also greatly offset in the vertical, so that an accurate estimation of the elevation angle is made possible.

Aus WO 2015/188987 A1 ist ein FMCW-MIMO-Radar bekannt, bei dem durch ein spezielles FMCW-Auswertungsverfahren Messfehler kompensiert werden, die beim Zeitmultiplex-MIMO durch die Relativbewegung des Ziels verursacht werden.Out of WO 2015/188987 A1 An FMCW-MIMO radar is known in which measurement errors caused by the relative movement of the target in time-division multiplex MIMO are compensated for by a special FMCW evaluation method.

US 8 436 763 B2 beschreibt ein Beispiel für ein Codemultiplex-MIMO-Radar. U.S. 8,436,763 B2 describes an example of a Code Division Multiplex MIMO radar.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Aufgabe der Erfindung ist es, einen MIMO-Radarsensor zu schaffen, der eine genauere und verlässlichere Winkelschätzung im Azimut und in Elevation ermöglicht.The object of the invention is to provide a MIMO radar sensor that is more accurate and enables more reliable angle estimation in azimuth and in elevation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das mindestens eine Subarray, in dem die Antennen auch in der zweiten Richtung y gegeneinander versetzt sind, symmetrisch zu einer in der zweiten Richtung y verlaufenden Achse aufgebaut ist.This object is achieved according to the invention in that the at least one subarray, in which the antennas are also offset from one another in the second direction y, is constructed symmetrically to an axis running in the second direction y.

Wenn beispielsweise die Richtung x die horizontale Richtung ist und die Richtung y die vertikale Richtung, so wird durch den Versatz der Antennen der Subarrays in der Richtung x eine Winkelschätzung im Azimut ermöglicht, und der Versatz in der Richtung y ermöglicht eine Winkelschätzung in Elevation. Wenn jedoch der Elevationswinkel eines Objekts von 0° verschieden ist, so führt der Versatz in der Richtung y zu einer Phasendifferenz, die die Winkelschätzung im Azimut beeinträchtigen kann. Wenn die Antennen in der Horizontalen in ungleichmäßigen Abständen angeordnet sind, so führt die bei großem Elevationswinkel auftretende Phasendifferenz in der Regel dazu, dass bei der Winkelschätzung im Azimut die Differenz zwischen dem Hauptmaximum und den Nebenmaxima abnimmt. Im Extremfall kann dies, insbesondere bei verrauschten Signalen, dazu führen, dass als Ortungswinkel des Ziels fälschlich der Winkel des Nebenmaximums angenommen wird. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich dieser unerwünschte Effekt durch eine symmetrische Anordnung der Antennen unterdrücken lässt.For example, if the x-direction is the horizontal direction and the y-direction is the vertical direction, offsetting the antennas of the subarrays in the x-direction allows angle estimation in azimuth, and offsetting in the y-direction allows angle estimation in elevation. However, if the elevation angle of an object is different from 0°, the offset in the direction y leads to a phase difference, which can affect the angle estimation in azimuth. If the antennas are arranged horizontally at uneven distances, the phase difference that occurs at a large elevation angle usually means that the difference between the main maximum and the secondary maximums decreases when the angle is estimated in the azimuth. In extreme cases, particularly in the case of noisy signals, this can lead to the angle of the secondary maximum being incorrectly assumed as the localization angle of the target. The invention is based on the finding that this undesired effect can be suppressed by arranging the antennas symmetrically.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the dependent claims.

In einer Ausführungsform haben die Antennen beider Subarrays in der Richtung x die gleiche Apertur, vorzugsweise eine Apertur, die so klein ist, dass der gesamte Ortungswinkelbereich gleichmäßig abgedeckt wird.In one embodiment, the antennas of both subarrays have the same aperture in the x direction, preferably an aperture that is so small that the entire localization angle range is covered uniformly.

In dem Subarray, dessen Antennen nicht symmetrisch angeordnet zu sein brauchen, kann ebenfalls mindestens ein Antennenelement in der Richtung y versetzt sein, vorzugsweise um einen Betrag, der größer ist als der Versatz in dem symmetrischen Subarray. Dadurch wird eine höhere Winkelauflösung in Elevation ermöglicht. Bei der Winkelschätzung im Azimut wird jedoch diese versetzte Antenne nicht berücksichtigt, damit ein systematischer Fehler vermieden wird, der andernfalls durch den starken Versatz dieser Antenne in der Vertikalen verursacht werden könnte.In the subarray, whose antennas need not be arranged symmetrically, at least one antenna element can also be offset in the direction y, preferably by an amount greater than the offset in the symmetric subarray. This enables a higher angular resolution in elevation. However, the angular estimation in azimuth does not take into account this offset antenna, in order to avoid a systematic error that could otherwise be caused by the large vertical offset of this antenna.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.In the following an embodiment is explained in more detail with reference to the drawing.

Es zeigen:

  • 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Radarsensors; und
  • 2 bis 5 Funktionsgraphen von DML-Funktionen für Ziele bei unterschiedlichen Azimut- und Elevationswinkeln, für das Antennenarray des erfindungsgemäßen Radarsensors und ein Vergleichsarray.
Show it:
  • 1 a block diagram of a radar sensor according to the invention; and
  • 2 until 5 Function graphs of DML functions for targets at different azimuth and elevation angles, for the antenna array of the radar sensor according to the invention and a comparison array.

Der in 1 gezeigte Radarsensor weist eine Platine 10 auf, auf der ein planares Antennenarray mit zwei Subarrays TX und RX gebildet ist. Das Subarray TX umfasst drei Sendeantennen TX1, TX2 und TX3, die in einer ersten Richtung x (der Horizontalen) versetzt zueinander angeordnet sind. Das Subarray RX umfasst vier Empfangsantennen RX1, RX2, RX3 und RX4, die ebenfalls in der Richtung x versetzt zueinander angeordnet sind. Das Subarray RX ist gegenüber dem Subarray TX in einer zweiten Richtung y (der Vertikalen) so weit versetzt, dass die Subarrays einander in der Vertikalen nicht überlappen. In einem Zwischenraum zwischen den Subarrays ist auf der Platine ein Hochfrequenzteil 12 angeordnet, der über nicht gezeigte Mikrowellenleitungen mit den Sende- und Empfangsantennen verbunden ist und dazu dient, Sendesignale in die Sendeantennen einzuspeisen und Empfangssignale von den Empfangsantennen abzugreifen und vorzuverarbeiten. Der Hochfrequenzteil 12 wird beispielsweise durch einen MMIC-Chip (Mikrowave Monolithic Integrated Circuit) gebildet und ist mit einer digitalen Steuer- und Auswertungsrichtung 14 verbunden, die den Hochfrequenzteil 12 steuert und die vorverarbeiteten Empfangssignale digital auswertet, um Abstände, Relativgeschwindigkeiten, Azimutwinkel und Elevationswinkel von georteten Objekten zu bestimmen. Die Digitalisierung der Signale kann beispielsweise durch einen in den MMIC-Chip integrierten Analog/Digital-Wandler erfolgen oder wahlweise in einer Eingangsstufe der Steuer- und Auswertungseinrichtung.the inside 1 The radar sensor shown has a circuit board 10 on which a planar antenna array with two subarrays TX and RX is formed. The subarray TX comprises three transmission antennas TX1, TX2 and TX3, which are offset from one another in a first direction x (the horizontal). The subarray RX includes four receiving antennas RX1, RX2, RX3 and RX4, which are also offset from one another in the x direction. The subarray RX is offset from the subarray TX in a second direction y (the vertical) so far that the subarrays do not overlap each other in the vertical. A high-frequency part 12 is arranged on the circuit board in a space between the subarrays. The high-frequency part 12 is formed, for example, by an MMIC chip (Microwave Monolithic Integrated Circuit) and is connected to a digital control and evaluation device 14, which controls the high-frequency part 12 and digitally evaluates the pre-processed received signals in order to calculate distances, relative speeds, azimuth angles and elevation angles from to determine located objects. The signals can be digitized, for example, by an analog/digital converter integrated in the MMIC chip or alternatively in an input stage of the control and evaluation device.

Zur Verdeutlichung der Geometrie der Sende- und Empfangsantennen ist die Platine 10 hier mit einem quadratischen Gitterraster gezeigt, dessen Gitterzellen eine Kantenlänge von ¼ der Wellenlänge der Mikrowellen haben. Alle Abstände zwischen Objekten auf der Platine werden im Folgenden in Einheiten dieser Wellenlänge angegeben. Alle Sendeantennen und Empfangsantennen haben die gleiche Form und sind als Gruppenantennen mit zwei Spalten von je zehn Antennenpatches 16 ausgebildet. Die Spalten verlaufen in der vertikalen Richtung y. Der Abstand zwischen den einzelnen Antennenpatches 16 beträgt ½, ebenso der Abstand zwischen den beiden Spalten einer Antenne. Die Führungslinien, die zu den Bezugszeichen RX1, RX2, etc. gehören, führen jeweils zum Phasenmittelpunkt der Antenne (schwarzes Quadrat). Im Folgenden beziehen sich alle Angaben über Positionsbeziehungen zwischen den Antennen auf die Positionen dieser Phasenmittelpunkte.To clarify the geometry of the transmitting and receiving antennas, the circuit board 10 is shown here with a square grid pattern, the grid cells of which have an edge length of ¼ the wavelength of the microwaves. All distances between objects on the circuit board are given below in units of this wavelength. All transmitting antennas and receiving antennas have the same shape and are designed as group antennas with two columns of ten antenna patches 16 each. The columns run in the vertical direction y. The distance between the individual antenna patches 16 is ½, as is the distance between the two columns of an antenna. The guide lines associated with the references RX1, RX2, etc. lead to the phase center of the antenna (black square) respectively. In the following all information about positional relationships between the antennas relates to the positions of these phase midpoints.

Die Sendeantennen RX1, RX2 und RX3 sind in der vertikalen Richtung y auf gleicher Höhe angeordnet. Der horizontale Abstand zwischen den Empfangsantennen RX1 und RX2 beträgt 1, und der Abstand zwischen den Empfangsantennen RX2 und RX3 beträgt 2.The transmission antennas RX1, RX2 and RX3 are arranged at the same level in the vertical direction y. The horizontal distance between receiving antennas RX1 and RX2 is 1, and the distance between receiving antennas RX2 and RX3 is 2.

Die Empfangsantenne RX4 ist gegenüber den drei übrigen Empfangsantennen in der vertikalen Richtung y um 3,5 Einheiten nach unten versetzt. Ihr horizontaler Abstand zu der Empfangsantenne RX3 beträgt 1,75.The reception antenna RX4 is offset downwards by 3.5 units in the vertical direction y in relation to the other three reception antennas. Your horizontal distance to the receiving antenna RX3 is 1.75.

Der Abstand zwischen den drei Sendeantennen TX1, TX2 und TX3 in der horizontalen Richtung x beträgt jeweils 1,75. Die Sendeantenne TX2, die in der Mitte zwischen TX1 und TX3 liegt, ist in der vertikalen Richtung y um den Betrag 1 nach oben versetzt. Das Subarray TX ist somit symmetrisch zu einer in der Richtung y verlaufenden Achse A.The distance between the three transmission antennas TX1, TX2 and TX3 in the horizontal direction x is 1.75, respectively. The transmission antenna TX2, which is located midway between TX1 and TX3, is offset upwards by the amount 1 in the vertical direction y. The subarray TX is thus symmetrical to an axis A running in the direction y.

In vertikaler Richtung schließt der untere Ende der Empfangsantenne RX4 unmittelbar an das obere Ende der Sendeantenne TX2 an, so dass die vertikale Abmessung der Platine 10 den kleinstmöglichen Wert hat, bei dem die Subarrays überlappungsfrei sind. In horizontaler Richtung wird die Abmessung der Platine dadurch minimiert, dass die Antennen RX1 und TX1 am linken Rand der Platine miteinander ausgerichtet sind.In the vertical direction, the lower end of the receiving antenna RX4 connects directly to the upper end of the transmitting antenna TX2, so that the vertical dimension of the circuit board 10 has the smallest possible value at which the subarrays do not overlap. In the horizontal direction, the dimensions of the board are minimized by aligning the antennas RX1 and TX1 on the left edge of the board.

Die drei Sendeantennen TX1, TX2 und TX3 werden im Zeitmultiplex nacheinander zum Senden von Radarsignalen benutzt. Der Radarsensor ist insgesamt als sogenanntes Joint-Compression-FMCW-Radar konfiguriert und arbeitet nach dem Prinzip, dass in WO 2015/188987 A1 beschrieben wurde. Dadurch werden die Abstandsänderungen der georteten Radarziele kompensiert, die aufgrund der Eigenbewegung dieser Ziele in den Zeitspannen stattfinden, die die Aktivitätsperioden der verschiedenen Sendeantennen voneinander trennen.The three transmitting antennas TX1, TX2 and TX3 are used one after the other in time-division multiplex to transmit radar signals. The radar sensor is configured as a so-called joint compression FMCW radar and works according to the principle that in WO 2015/188987 A1 was described. This compensates for the changes in the distance between the located radar targets, which take place due to the movement of these targets in the time periods that separate the activity periods of the various transmission antennas from one another.

Wenn ein Radarziel unter einem Azimutwinkel geortet wird, der von 0° verschieden ist, so haben die Signalwege von der Sendeantenne zum Ziel und vom Ziel zurück zur Empfangsantenne für jede Kombination von Sende- und Empfangsantenne eine unterschiedliche Länge. Jede Kombination von Sendeantenne und Empfangsantenne entspricht deshalb einem virtuellen Antennenelement, und die Positionen dieser virtuellen Antennenelemente in der Richtung x sind gegeben durch die x-Komponenten der Signalwege. Die virtuelle Apertur dieses virtuellen Antennenarrays ist somit deutlich größer als die reale Apertur der Empfangsantennen. Aufgrund dieser vergrößerten Apertur können Azimutwinkel mit größerer Trennschärfe gemessen werden.When a radar target is located at an azimuth angle other than 0°, the signal paths from the transmit antenna to the target and from the target back to the receive antenna have different lengths for each combination of transmit and receive antennas. Each combination of transmit antenna and receive antenna therefore corresponds to a virtual antenna element, and the positions of these virtual antenna elements in the x-direction are given by the x-components of the signal paths. The virtual aperture of this virtual antenna array is therefore significantly larger than the real aperture of the receiving antennas. Because of this enlarged aperture, azimuth angles can be measured with greater selectivity.

Da sowohl in dem Subarray TX als auch in dem Subarray RX jeweils eine der Sende- bzw. Empfangsantennen in der vertikalen Richtung y gegenüber den anderen Antennen versetzt ist, ergibt sich auch bei der Messung der Elevationswinkel eine größere virtuelle Apertur und damit eine größere Trennfähigkeit.Since one of the transmitting and receiving antennas is offset in the vertical direction y in relation to the other antennas in both the subarray TX and the subarray RX, there is also a larger virtual aperture and thus a greater separation capability when measuring the elevation angle.

Allerdings kann der vertikale Versatz der Antennen bei Zielen, die einen stark von 0° abweichenden Elevationswinkel haben, einen systematischen Fehler bei der Messung des Azimutwinkels verursachen, weil die Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen virtuellen Antennenelementen nicht nur vom Azimutwinkel sondern auch vom Elevationswinkel abhängig ist. Aus diesem Grund ist in dem hier gezeigten Beispiel der vertikale Versatz der Sendeantenne TX2 gegenüber den anderen Sendeantennen deutlich kleiner als der Versatz der Empfangsantenne RX4 gegenüber den anderen Empfangsantennen. Die Steuer- und Auswertungseinrichtung 14 ist so konfiguriert, dass sie bei der Messung des Azimutwinkels nur die virtuellen Antennenelemente berücksichtigt, die unter Beteiligung der Empfangsantennen RX1 bis RX3 zustande kommen, d.h., das Signal von RX4 wird bei der Messung des Azimutwinkels ignoriert, damit der durch den starken Versatz der Empfangsantenne RX4 verursachte systematische Fehler nicht in das Messergebnis eingeht. Aufgrund des relativ kleinen Versatzes der Sendeantenne TX2 kann der dann noch verbleibende systematische Fehler toleriert werden.However, the vertical offset of the antennas can cause a systematic error in the measurement of the azimuth angle for targets that have an elevation angle that differs greatly from 0°, because the phase shift between the different virtual antenna elements depends not only on the azimuth angle but also on the elevation angle. For this reason, in the example shown here, the vertical offset of the transmitting antenna TX2 relative to the other transmitting antennas is significantly smaller than the offset of the receiving antenna RX4 relative to the other receiving antennas. The control and evaluation device 14 is configured so that when measuring the azimuth angle, it only takes into account the virtual antenna elements that come about with the participation of the receiving antennas RX1 to RX3, i.e. the signal from RX4 is ignored when measuring the azimuth angle, so that the Systematic errors caused by the strong offset of the receiving antenna RX4 are not included in the measurement result. Because of the relatively small offset of the transmitting antenna TX2, the systematic error that then remains can be tolerated.

Sowohl bei der Messung des Azimutwinkels als auch bei der Messung des Elevationswinkels beruht das Messprinzip auf einer Maximum-Likelihood-Schätzung auf der Grundlage der Korrelation der mit den verschiedenen virtuellen Antennenelementen gemessenen Phasen bzw. komplexen Amplituden mit dem Antennendiagramm für das gegebene Antennenarray. Diese Korrelation wird durch eine deterministische Maximum-Likelihood-Funktion (DML-Funktion) angegeben, die bei dem Winkel, der dem wahren Ort des Ziels entspricht, ein Maximum aufweist. Allerdings weist diese DML-Funktion auch Nebenmaxima bei Winkeln auf, die deutlich von dem wahren Ort des Radarziels abweichen.Both when measuring the azimuth angle and when measuring the elevation angle, the measuring principle is based on a maximum likelihood estimate based on the correlation of the phases or complex amplitudes measured with the various virtual antenna elements with the antenna diagram for the given antenna array. This correlation is given by a deterministic Maximum Likelihood (DML) function that has a maximum at the angle corresponding to the true location of the target. However, this DML function also exhibits sidelobes at angles that deviate significantly from the true location of the radar target.

Wenn in einem Antennenarray die Sende- und Empfangsantennen sowohl in der Horizontalen als auch in der Vertikalen versetzt sind, hat das generell zur Folge, dass bei der Messung des Azimutwinkels das Größenverhältnis zwischen dem Hauptmaximum und den Nebenmaxima auch vom Elevationswinkel des Ziels abhängig ist. In der Tendenz führt dieser Effekt dazu, dass bei zunehmendem Elevationswinkel die Höhe der (oder zumindest einiger) Nebenmaxima im Verhältnis zur Höhe des Hauptmaximums zunimmt, so dass es, da die Messsignale in der Praxis stets mehr oder weniger verrauscht sind, zu Fehlmessungen kommen kann, weil fälschlich eines der Nebenmaxima als das Hauptmaximum angesehen wird. Bei dem hier beschriebenen Antennenarray wird dieser Effekt jedoch dadurch weitgehend unterdrückt, dass die vertikal versetzte Sendeantenne TX2 genau mittig zwischen den beiden anderen Sendeantennen TX1 und TX3 angeordnet ist. Diese Symmetrie führt dazu, dass bei zunehmendem Elevationswinkel die Nebenmaxima im Verhältnis zum Hauptmaximum weniger schnell zunehmen als bei einem asymmetrischen Sende-Subarray. Dieser Effekt soll im Folgenden anhand einiger Beispieldiagramme illustriert werden.If the transmitting and receiving antennas in an antenna array are offset both horizontally and vertically, this generally means that when measuring the azimuth angle, the size ratio between the main maximum and the secondary maximums is also dependent on the elevation angle of the target. This effect tends to lead to weight gain With the elevation angle, the height of the (or at least some) secondary maxima increases in relation to the height of the main maximum, so that, since the measurement signals are always more or less noisy in practice, incorrect measurements can occur because one of the secondary maxima is incorrectly regarded as the main maximum becomes. In the antenna array described here, however, this effect is largely suppressed in that the vertically offset transmitting antenna TX2 is arranged exactly in the middle between the other two transmitting antennas TX1 and TX3. As a result of this symmetry, as the elevation angle increases, the secondary maxima increase less rapidly in relation to the main maximum than in the case of an asymmetric transmit subarray. This effect is to be illustrated below using a few sample diagrams.

In 2 ist für Azimutwinkel in einem Wertebereich von -60° bis + 60° und für ein Radarziel bei einem Azimutwinkel von 0° und einem Elevationswinkel von 0° (gestrichelte Linie) bzw. 15° (durchgezogene Linie) der Funktionswert der DML-Funktion aufgetragen, der sich rechnerisch für das in 1 gezeigte Antennenarray ergibt. Bei dem größeren Elevationswinkel (durchgezogene Linie) ist das Maximum bei 0° deutlich schwächer ausgeprägt als bei dem Elevationswinkel von 0°, aber auch die nächsthöheren Nebenmaxima (bei ±38°) sind reduziert, während die ersten Nebenmaxima (bei ±19°) im Fall des größeren Elevationswinkels verstärkt sind. Insgesamt bleibt jedoch der Abstand zwischen dem Hauptmaximum und den nächsthöheren Nebenmaxima so groß, dass Fehlmessungen aufgrund von Rauschen nicht zu befürchten sind.In 2 the function value of the DML function is plotted for azimuth angles in a value range from -60° to + 60° and for a radar target with an azimuth angle of 0° and an elevation angle of 0° (dashed line) or 15° (solid line), which is calculated for the in 1 shown antenna array results. At the larger elevation angle (solid line), the maximum at 0° is much weaker than at the elevation angle of 0°, but the next higher secondary maxima (at ±38°) are also reduced, while the first secondary maxima (at ±19°) are in the Case of the larger elevation angle are reinforced. Overall, however, the distance between the main maximum and the next higher secondary maxima remains so large that incorrect measurements due to noise are not to be feared.

3 zeigt das gleiche DML-Diagramm für ein Antennenarray, bei dem im Vergleich zu 1 die horizontale Position der Sendeantenne TX2 um 0,25 (in Einheiten der Wellenlänge) nach rechts verschoben ist und somit die Symmetrie des Subarrays TX gebrochen ist. Während die gestrichelte Kurve für den Elevationswinkel von 0° weiterhin symmetrisch ist, zeigt sich bei der Kurve für den Elevationswinkel von 15° (durchgezogene Linie) jetzt eine Asymmetrie. Das erste Nebenmaximum bei -19° ist größer als das erste Nebenmaximum bei +19°, während es bei den zweiten Nebenmaxima bei ±38° gerade umgekehrt ist. Der Abstand zwischen dem Hauptmaximum und dem größten Nebenmaximum bei +38° ist hier geringer als in 1 aber immer noch ausreichend. 3 shows the same DML diagram for an antenna array where compared to 1 the horizontal position of the transmit antenna TX2 is shifted to the right by 0.25 (in units of wavelength) and thus the symmetry of the subarray TX is broken. While the dashed curve for the elevation angle of 0° is still symmetrical, the curve for the elevation angle of 15° (solid line) now shows an asymmetry. The first side lobe at -19° is larger than the first side lobe at +19°, while the second side lobes at ±38° are just the opposite. The distance between the main maximum and the largest secondary maximum at +38° is smaller here than in 1 but still sufficient.

4 und 5 zeigen das gleiche für ein Radarziel, das unter dem Azimutwinkel von -60° geortet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Antennenarray (4) beseht auch bei dem Elevationswinkel von 15° (durchgezogene Linie) noch ein deutlicher Abstand zwischen dem Hauptmaximum und dem höchsten Nebenmaximum (gestrichelte horizontale Linien und Pfeile in 4). Bei dem asymmetrischen Antennenarray (5) hat dieser Abstand dagegen bedenklich abgenommen, so dass bei stark verrauschten Signalen Fehlmessungen nicht mehr ausgeschlossen werden können. 4 and 5 show the same for a radar target located at the azimuth angle of -60°. In the antenna array according to the invention ( 4 ) there is still a clear distance between the main maximum and the highest secondary maximum (dashed horizontal lines and arrows in Fig 4 ). With the asymmetric antenna array ( 5 ), on the other hand, this distance has decreased alarmingly, so that incorrect measurements can no longer be ruled out in the case of very noisy signals.

Wie die Diagramme in 2 bis 5 verdeutlichen, ist die vergleichsweise große Höhe der Nebenmaxima in 3 und 5 vor allem eine Folge der Asymmetrie dieser Kurven. Ein ausreichender Abstand zwischen dem Hauptmaximum und dem höchsten Nebenmaximum lässt sich deshalb auch bei großen Elevationswinkeln allgemein dadurch erreichen, dass die Anordnung der Sendeantennen symmetrisch ist. In anderen Ausführungsformen könnte jedoch die Anzahl der Sendeantennen auch größer als 3 sein, und es wäre auch eine ungerade Anzahl von Antennen denkbar, sofern auch die Anzahl der vertikal versetzten Antennen gerade ist. Ebenso sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen nicht die Sendeantennen, sondern die Empfangsantennen symmetrisch angeordnet sind.As the diagrams in 2 until 5 make clear, the comparatively large height of the secondary maxima in 3 and 5 mainly a consequence of the asymmetry of these curves. A sufficient distance between the main maximum and the highest secondary maximum can therefore generally be achieved even with large elevation angles by arranging the transmission antennas symmetrically. In other embodiments, however, the number of transmitting antennas could also be greater than 3, and an odd number of antennas would also be conceivable, provided the number of vertically offset antennas is even. Likewise, embodiments are also conceivable in which not the transmitting antennas but the receiving antennas are arranged symmetrically.

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Claims (7)

MIMO-Radarsensor mit: - einem planaren Antennenarray, das zwei Subarrays (TX, RX) aufweist, in denen jeweils mehrere Antennen in einer ersten Richtung x versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die Subarrays in einer zweiten Richtung y senkrecht zu der ersten Richtung x gegeneinander versetzt sind, die Antennen (TX1, TX2, TX3, RX1, RX2 RX3, RX4) beider Subarrays jeweils in der zweiten Richtung y stärker fokussierend sind als in der ersten Richtung, und in mindestens einem der Subarrays (TX) zumindest zwei der Antennen auch in der zweiten Richtung y gegeneinander versetzt sind, - einem Hochfrequenzteil (12) zum Erzeugen von Sendesignalen für die Antennen des einen Subarrays (TX) und zur Vorverarbeitung von Empfangssignalen der Antennen des anderen Subarrays (RX) und - einer Steuer- und Auswertungseinrichtung (14), die dazu konfiguriert ist, den Hochfrequenzteil (12) zu steuern und anhand der vorverarbeiteten Empfangssignale Abstände, Relativgeschwindigkeiten sowie Azimut- und Elevationswinkel von georteten Objekten zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Subarray (TX), in dem die Antennen (TX1, TX2, TX3) auch in der zweiten Richtung y gegeneinander versetzt sind, symmetrisch zu einer in der zweiten Richtung y verlaufenden Achse (A) aufgebaut ist.MIMO radar sensor with: - a planar antenna array, which has two subarrays (TX, RX), in each of which a plurality of antennas are arranged offset from one another in a first direction x, the subarrays being opposite to one another in a second direction y perpendicular to the first direction x are offset, the antennas (TX1, TX2, TX3, RX1, RX2 RX3, RX4) of both subarrays are each more focused in the second direction y than in the first direction, and in at least one of the subarrays (TX) at least two of the antennas too are offset from one another in the second direction y, - a high-frequency part (12) for generating transmission signals for the antennas of one subarray (TX) and for preprocessing reception signals from the antennas of the other subarray (RX) and - a control and evaluation device (14 ), which is configured to control the high-frequency part (12) and based on the pre-processed received signals distances, relative speeds and azimuth and elevation To determine ns angle of located objects, characterized in that the at least one subarray (TX), in which the antennas (TX1, TX2, TX3) are also offset from one another in the second direction y, is symmetrical to an axis running in the second direction y (A) is constructed. Radarsensor nach Anspruch 1, bei dem die erste Richtung x die Horizontale ist und die zweite Richtung y die Vertikale ist.radar sensor claim 1 , where the first direction x is horizontal and the second direction y is vertical. Radarsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das mindestens eine Subarray (TX), in dem die Antennen auch in der zweiten Richtung y gegeneinander versetzt sind, durch Sendeantennen (TX1, TX2, TX3) gebildet wird.radar sensor claim 1 or 2 , In which the at least one subarray (TX), in which the antennas are also offset from one another in the second direction y, is formed by transmitting antennas (TX1, TX2, TX3). Radarsensor nach Anspruch 3, bei dem auch in dem anderen, durch Empfangsantennen (RX1-RX4) gebildeten Subarray (RX) mindestens eine Antenne (RX4) in der zweiten Richtung y gegenüber den anderen Antennen dieses Subarrays versetzt ist.radar sensor claim 3 , in which in the other subarray (RX) formed by receiving antennas (RX1-RX4) at least one antenna (RX4) is offset in the second direction y relative to the other antennas of this subarray. Radarsensor nach Anspruch 4, bei dem der Versatz in der zweiten Richtung y in dem Subarray (RX) der Empfangsantennen größer ist als in dem Subarray (TX) der Sendeantennen und bei dem die Steuer- und Auswertungseinrichtung (14) dazu konfiguriert ist, bei der Winkelschätzung in der ersten Richtung x die Signale derjenigen Empfangsantennen (RX4) zu ignorieren, die in der zweiten Richtung y versetzt sind.radar sensor claim 4 , in which the offset in the second direction y in the subarray (RX) of the receiving antennas is greater than in the subarray (TX) of the transmitting antennas and in which the control and evaluation device (14) is configured to, in the angle estimation in the first Direction x to ignore the signals of those receiving antennas (RX4) that are offset in the second direction y. Radarsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Subarray (TX), das symmetrisch aufgebaut ist, eine ungerade Anzahl von Antennen hat.Radar sensor according to one of the preceding claims, in which the subarray (TX), which is constructed symmetrically, has an odd number of antennas. Radarsensor nach Anspruch 6, bei dem nur die mittlere Antenne des symmetrischen Subarrays (TX) in der zweiten Richtung y versetzt ist.radar sensor claim 6 , in which only the center antenna of the symmetric subarray (TX) is offset in the second direction y.
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